POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY mgr inż. Piotr Zariczny PRACA DOKTORSKA Modelowanie zasilania łożyska ślizgowego olejem z wykorzystaniem prowadnicy hydrodynamicznej Promotor: dr hab. inż. Jan Sikora, prof. nadzw. PG GDAŃSK 2007
Chciałbym złożyć podziękowania wszystkim, którzy przyczyni się do powstania niniejszej pracy, a w szczególności profesorowi Janowi Sikorze oraz pracownikom Katedry Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn.
Spis treści 1. Wprowadzenie...... 9 2. Charakterystyka znanych sposobów samozasilania łożysk hydrodynamicznych 12 2.1. Wymagana ilość oleju smarującego w łożysku. 13 2.2. Opis rozwiązań konstrukcyjnych smaozasilania... 20 2.2.1. Łożyska zasilane z wykorzystaniem pierścieni luźnych.. 20 2.2.2. Łożyska zasilane z wykorzystaniem pierścieni stałych 23 2.2.3. Łożyska z własnymi ciśnieniowymi układami zasilającymi 26 2.3. Właściwości i ograniczenia smarowania pierścieniowego 30 3. Wnioski z analizy aktualnego stanu wiedzy sformułowanie problematyki badawczej 37 3.1. Koncepcja zasilania olejem z wykorzystaniem prowadnicy hydrodynamicznej.. 39 4. Wybór i uzasadnienie celu i zakresu badań własnych teza pracy doktorskiej. 43 5. Badania teoretyczne. 45 5.1. Opracowanie modelu opisującego zjawisko zasilania łożyska z wykorzystaniem prowadnicy hydrodynamicznej...47 5.1.1. Założenia wstępne.... 50 5.1.2. Model analityczny.... 52 5.1.3. Sprawdzenie przydatności MES do modelowania układu zasilania 61 5.1.4. Model MES kanału zasilającego.. 68 5.2. Obliczenia MES.....70 5.2.1. Parametry geometryczne modeli, dane wejściowe oraz zakres obliczeń. 71 5.2.2. Wyniki obliczeń....75 6. Metodyka doświadczalnych badań własnych..84 6.1. Koncepcja testów doświadczalnych...... 84 6.2. Stanowisko badawcze koncepcja konstrukcyjna węzła badawczego na bazie maszyny łożyskowej PGII 1Ł..86 6.2.1. Struktura istniejącego węzła badawczego.... 86 6.2.2. Modernizacja węzła badawczego..... 89 6.2.3. Parametry geometryczne układu badawczego i parametry testów doświadczalnych 97 6.2.4. Ustawienia układu badawczego oraz kalibracja i cechowanie torów pomiarowych... 103
6.3. Strategia prowadzenia eksperymentów i metoda opracowania wyników testów.. 108 6.3.1. Badania efektywności podawania oleju dla różnej geometrii kanału zasilającego i różnych parametrów eksploatacyjnych... 108 6.3.2. Badania charakterystyk użytkowych łożyska zasilanego z wykorzystaniem wybranej konfiguracji układu zasilania.. 113 7. Badania doświadczalne..120 7.1. Badanie wpływu wybranych czynników na efektywność podawania oleju z zastosowaniem prowadnicy hydrodynamicznej.. 120 7.1.1. Plan badań... 120 7.1.2. Wpływ prędkości obrotowej... 123 7.1.3. Wpływ lepkości czynnika smarującego. 129 7.1.4. Wpływ wysokości kanału zasilającego.. 133 7.1.5. Wpływ szerokości szczelin bocznych między pierścieniem i obudową 138 7.1.6. Wybór najkorzystniejszej konfiguracji układu zasilania 140 7.2. Statystyczne opracowanie wyników badań model regresyjny obiektu... 143 7.3. Weryfikacja doświadczalna wyników obliczeń numerycznych.. 152 8. Badania charakterystyk użytkowych łożyska zasilanego z wykorzystaniem wybranego ustawienia układu....... 160 8.1. Plan badań....160 8.2. Charakterystyka oporów tarcia.... 161 8.3. Charakterystyka temperaturowa..... 163 8.4. Nośność hydrodynamiczna łożyska....166 9. Badania porównawcze łożyska zasilanego w sposób tradycyjny i z wykorzystaniem prowadnicy 169 9.1. Ilość podawanego oleju... 169 9.2. Charakterystyki temperaturowe...172 10. Podsumowanie.....177 10.1. Wnioski z badań własnych 177 10.2. Zalecenia konstrukcyjne 179 10.3. Problemy badawcze do rozwiązania w przyszłości... 180 11. Literatura. 181 12. Załączniki 186
Spis ważniejszych oznaczeń b c D d g h 1u h 1z h 2 k k s M T n p p op p obl Q Re S T t Ta V w z η λ μ ξ ρ - szerokość pierścienia smarującego [m] - szerokość obszarów bocznych kanału zasilającego [m] - średnica pierścienia smarującego [m] - średnica czopa łożyska [m] - przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ] - wysokość kanału zasilającego z uskokiem [m] - wysokość wlotu kanału zasilającego zbieżnego [m] - wysokość końca kanału zasilającego [m] - przewodność cieplna oleju [W/m K] - przewodność cieplna ścianek kanału zasilającego [W/m K] - moment tarcia w łożysku [Nm] - prędkość obrotowa [obr/min] - ciśnienie oleju [Pa] - ciśnienie oporowe na wylocie kanału zasilającego [Pa] - naciski obliczeniowe w łożysku [Pa] - objętościowe natężenie przepływu oleju [m 3 /s] - liczba Reynoldsa - liczba Sommerfelda - temperatura oleju [ C] - czas [s] - liczba Taylora - prędkość obwodowa pierścienia smarującego [m/s] - szerokość powierzchni obudowy łożyska [m] - głębokość zanurzenia pierścienia smarującego [m] - lepkość dynamiczna oleju [N s/m 2 ] - liczba Herseya - współczynnik tarcia w łożysku - napięcie powierzchniowe [N/m] - gęstość oleju [kg/m 3 ]
1. Wprowadzenie Ze względu na swoje walory użytkowe, łożyska ślizgowe znalazły szerokie zastosowanie w budowie maszyn. Do ich zalet zaliczamy: dużą trwałość i niezawodność, cichobieżność, zdolność tłumienia drgań oraz niską cenę. Pomimo nieprzerwanego rozwoju konstrukcji łożysk ślizgowych oraz wprowadzania nowych materiałów i środków smarnych w dalszym ciągu najpowszechniej stosowanymi rozwiązaniami są klasyczne skojarzenia elementów metalowych smarowanych olejem. Trwałość i niezawodność maszyn i urządzeń determinowana często przez własności eksploatacyjne zastosowanych łożysk uzasadnia potrzebę ciągłego udoskonalania tych kluczowych elementów maszyn. Poprzeczne łożyska ślizgowe, wykorzystywane do przenoszenia obciążeń promieniowych, to jedne z najpowszechniej stosowanych rodzajów łożysk w budowie maszyn. Wśród nich ważną grupę stanowią łożyska hydrodynamiczne o tarciu płynnym (Rys. 1), w których czop oddzielony jest od panwi dostatecznie grubą warstwą czynnika smarującego. Rys. 1. Schemat działania hydrodynamicznego łożyska poprzecznego o tarciu płynnym: 1 czop, 2 panew, 3 klin olejowy [47] W łożyskach tych, dzięki separacji czopa i panwi, tarcie zachodzi wewnątrz czynnika smarującego a wypadkowa z ciśnień równoważy obciążenie zewnętrzne. Efektem tego jest bardzo mała siła tarcia (współczynnik tarcia μ 0,001) i przy sprzyjających warunkach brak występowania zużycia - zasadnicza zaleta smarowania hydrodynamicznego. 6
Jednym z podstawowych warunków prawidłowego działania łożyska hydrodynamicznego o tarciu płynnym jest zapewnienie odpowiedniej ilości oleju dostarczanego w sposób ciągły do węzła tarcia. Warunek ten wiąże się z koniecznością stosowania układów zasilających, które mogą być zblokowane z łożyskiem (łożyska z własnym zasilaniem) lub stanowić odrębny zewnętrzny układ. W przypadku łożysk poprzecznych z własnym zasilaniem najczęściej wykorzystywane są zanurzeniowe układy zasilania (Rys. 2) dostarczające smar bezciśnieniowo z miski olejowej do węzła łożyskowego. Zblokowanie układu zasilania razem z łożyskiem wpływa na zwiększenie gabarytów korpusu, który musi pomieścić element podający olej. Korpus takiego łożyska stanowi równocześnie zbiornik oleju smarującego, co wymusza odpowiednią jego konstrukcje oraz kształt ścianek zapewniający zwiększone odprowadzanie ciepła wytwarzanego w łożysku. a) b) Rys. 2. Przykłady zanurzeniowego sposobu smarowania poprzecznych łożysk ślizgowych: a) pierścieniem luźnym, b) pierścieniem stałym [40] Powszechnie stosowane rozwiązania łożysk z własnym układem zasilania zapewniają dostarczanie wymaganej ilość oleju smarującego w zakresie wolnych i średnich obrotów czopa. Ich prosta budowa przyczynia się od wysokiej niezawodności oraz braku konieczności obsługi. Funkcjonowanie takich układów zasilania jest niezależne od zewnętrznych źródeł energii - działają zawszę gdy występuje ruch czopa łożyska. Szczególne korzyści samozasilania zauważalne są w przypadku pojedynczych wolno stojących łożysk poprzecznych, dla których nieuzasadnione ekonomicznie jest stosowanie zewnętrznych układów zasilających [39]. Natomiast zewnętrzne układy zasilania to zasilacze hydrauliczne dostarczające olej pod ciśnieniem do łożyska (Rys. 3), które pełni funkcje odbiornika. 7
Rys. 3. Zasada działania zewnętrznego ciśnieniowego układu zasilania [40] Działanie takiego układu zasilania, niezależne od warunków pracy łożyska, zapewnia pewne dostarczanie odpowiedniej ilości oleju smarującego w pełnym zakresie obrotów czopa. Konieczność stosowania rozbudowanego i drogiego układu zasilania uzasadnione jest w przypadku równoczesnego smarowania grupy łożysk lub pojedynczych łożysk wysokoobrotowych. Jednym z możliwych kierunków rozwoju hydrodynamicznych łożysk poprzecznych jest ulepszanie układów zasilających. Cel tych działań dotyczyć może poprawy skuteczności i niezawodności zasilania łożyska olejem przy jednoczesnym zachowaniu prostej konstrukcji i ograniczeniu kosztu układu zasilającego. Spełnienie wymienionych postulatów oraz potencjalne możliwości rozwoju dotyczą w większym stopniu łożysk z własnym zasilaniem. Stosowane do tej pory konstrukcje tego typu charakteryzuje ograniczony obszar zastosowania wynikający ze zbyt małej skuteczności zasilania. Rozwiązanie tego problemu stanowiłoby znaczący krok w rozwoju inżynierii łożyskowania. 8
2. Charakterystyka znanych sposobów samozasilania łożysk hydrodynamicznych Podział sposobów realizacji dostarczania oleju smarującego w hydrodynamicznych łożyskach poprzecznych przedstawiono na Rys. 4 [40]. Rys. 4. Podział sposobów smarowania hydrodynamicznych łożysk poprzecznych [40] Ze względu na specyfikę konstrukcji łożysk z własnym układem zasilania (wspólna obudowa łożyska i układu zasilania) najczęściej wykorzystywanymi systemami dostarczania oleju są układy bezciśnieniowe, których działanie opiera się na wykorzystaniu ruchu obrotowego czopa łożyska. Układy ciśnieniowe nie znalazły powszechnego wykorzystania występują jedynie jako rozwiązania dla specjalistycznych zastosowań (przykłady tego typu rozwiązań konstrukcyjnych opisano w punkcie 2.2.3). Wśród systemów bezciśnieniowych układy grawitacyjne, kapilarne oraz powielaczowe spełniają wymogi odnośnie do wymaganej ilości podawanego oleju jedynie w zakresie małych prędkości obrotowych i są z reguły stosowane w podrzędnych węzłach tarcia [40]. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem samozasilania jest smarowanie zanurzeniowe za pomocą pierścieni smarujących. Sposób ten charakteryzuje się wystarczającą wydajnością do zasilania łożysk wolno i średnioobrotowych. Łożyska tego typu wykorzystywane są powszechnie w technice okrętowej (łożyskowanie wałów głównych), silnikach i agregatach elektrycznych dużej mocy, wielkogabarytowych wentylatorach, pompach i sprężarkach. Przykładami łożysk 9
zasilanych pierścieniem luźnym są produkowane seryjnie do stosowania w różnych maszynach łożyska firmy Dodge [64] przedstawione na Rys. 5. Rys. 5. Seryjnie produkowane łożyska zasilane pierścieniem luźnym [64] 2.1. Wymagana ilość oleju smarującego w łożysku Niezbędna ilość oleju do zasilania hydrodynamicznego łożyska poprzecznego wynika z konieczności wypełnienia szczeliny smarowej, celem wytworzenia pełnego filmu olejowego o wymaganej nośności oraz zapewnienia odpowiedniego chłodzenia węzła tarcia. Zapotrzebowanie oleju smarującego do zasilania łożyska poprzecznego zależy od następujących czynników [39]: wymaganej grubości filmu olejowego, obciążenia łożyska, prędkości obrotowej czopa, lepkości użytego oleju, wymaganej temperatury układu. Wymienione czynniki są wzajemnie powiązane np. wzrost obciążenia oraz zwiększenie prędkości obrotowej powoduje podwyższenie temperatury łożyska. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury maleje lepkość oleju, co z kolei wpływa na zmniejszenie grubości filmu olejowego. Z drugiej strony, uwzględniając ekonomikę smarowania, dąży się do ograniczenia (oczywiście w dopuszczalnych granicach) ilości dostarczanego oleju smarującego ze względu na [39]: 10
oszczędność zużycia oleju, oszczędność energii potrzebnej do doprowadzenia oleju do węzła tarcia. Racjonalne zużycie oleju do smarowania łożysk ślizgowych wiąże się z unikaniem nieuzasadnionego dostarczania nadmiernej ilości czynnika smarującego oraz unikaniem lub ograniczeniem ewentualnych przecieków oleju z łożyska lub instalacji zasilającej. Wyciekający olej może powodować zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Z kolei nadmierna ilość oleju smarującego wymaga zużycia większej energii, co podnosi koszty eksploatacji maszyny. Wzajemne powiązanie przytoczonych czynników oraz sprzeczność wymagań utrudnia jednoznaczne określenie optymalnej ilości oleju, którą należałoby doprowadzać do łożyska poprzecznego w konkretnych warunkach pracy. W praktyce inżynierskiej wymaganą ilość czynnika smarującego wyznacza się na podstawie obliczeń, badań doświadczalnych lub łącząc za sobą te dwie metody. Orientacyjne wartości wymaganej ilości oleju, którą należy dostarczać do poprzecznych łożysk ślizgowych dla zapewnienia całkowitego wypełnienia szczeliny smarowej podaje Neale [47]. Przedstawiona na Rys. 6 zależność objętościowego natężenia przepływu oleju w zależności od prędkości obrotowej oraz średnicy czopa łożyska określona została na podstawie wyników obliczeń i badań doświadczalnych. Rys. 6. Orientacyjna wymagana ilość oleju dostarczanego do poprzecznego łożyska ślizgowego w funkcji prędkości obrotowej i średnicy czopa łożyska [47] 11
Według przedstawionej charakterystyki zapotrzebowanie oleju do smarowania łożysk poprzecznych zwiększa się wraz ze wzrostem średnicy czopa oraz rośnie proporcjonalnie do wzrostu prędkości obrotowej. Obliczeniowy sposób wyznaczania wymaganej ilości czynnika smarującego hydrodynamiczne łożysko poprzeczne przytacza Lawrowski [39]. Określa ją wzór empiryczny (1). Q s 2 3 l d n dm = 1, 2 2,8 ψ l d 10 1000 h (1) gdzie: ψ - względny luz łożyskowy, l długość łożyska [cm], d średnica czopa [cm], n prędkość obrotowa [obr/min] Przy uwzględnieniu doprowadzania oleju z pewnym nadciśnieniem (w celu intensywniejszego chłodzenia węzła tarcia) całkowitą ilość oleju określa wzór (2). 3 = 3 s 1+ 10 01 Q Q p dm h (2) gdzie: p 01 ciśnienie oleju na wlocie do łożyska [MPa] Zapotrzebowanie na olej określone wzorami (1) i (2) odpowiada smarowaniu łożysk ślizgowych w zwykłym wykonaniu tj. przy średnich chropowatościach powierzchni, przy uwzględnieniu błędów kształtu łożyska i czopa oraz odkształceń czopa pod wpływem obciążenia. Sposób określenia dokładnej ilości oleju jaka jest potrzebna do wypełnienia szczeliny smarowej łożyska poprzecznego podczas pracy pod obciążeniem i zachowania warstewki nośnej przedstawia Fuller [17]. Metoda opiera się na wyznaczeniu ilości oleju wyciekającego na końcu łożyska (upływy boczne) oraz ilości oleju wyciekającego z tylnej krawędzi klina smarowego na podstawie obliczeniowego określenia spadków prędkości i ciśnienia w tych kierunkach. W tym celu wykorzystano przybliżone rozwiązanie równania Reynoldsa opisujące przepływ oleju w szczelinie smarowej metodą analogi elektrycznej. Wyznaczone tą metodą natężenia przepływu oleju w kierunku wzdłużnym określa wzór (3) oraz wartości upływów bocznych wzór (4). Q wl = K urψ l (3) wl gdzie: Q wl objętość oleju dopływającego [cm 3 /s], K wl współczynnik, u prędkość obwodowa [cm/s], r promień czopa [cm], ψ luz względny, l długość łożyska [cm] 12
Q = K urψ l (4) wyl wyl gdzie: Q wyl objętość oleju wypływająca na obu końcach łożyska [cm 3 /s], K wyl współczynnik Wartość współczynników K wl i K wyl ze wzorów (3) i (4) zestawione przez Fullera w tabelach [17], uzależnione są od stosunku średnicy i długości oraz mimośrodowości względnej łożyska. Wzór (3) określa ilość oleju jaką należałoby doprowadzić, gdyby cały olej przepływał przez łożysko tylko raz, tzn. gdyby czop nie zabierał oleju i nie przenosił go ponownie do przedniej krawędzi klina smarowego. W większości łożysk olej wyciekający z tylnej krawędzi klina smarowego z zasady przywiera do powierzchni czopa i przenoszony jest ponownie do przedniej krawędzi. Rzeczywisty ubytek oleju spowodowany jest zatem upływem bocznym. Ilość oleju wyciekającego na boki określona wzorem (4) stanowi zatem tę minimalną ilość oleju, którą należy doprowadzić do łożyska, żeby szczelina była zawsze napełniona smarem. Należy zaznaczyć, że wartości określone wzorami (3) i (4) dotyczą łożyska poprzecznego z panwią o kącie 120º. Doświadczenia Fullera wykazały jednak, że wartości tę mogą być wykorzystane dla łożysk z panwiami o innych kątach. Bardziej szczegółowy sposób postępowania przy wyznaczaniu wymaganej ilości oleju potrzebnej do smarowania łożysk poprzecznych zawiera opracowanie Raimondiego i Boyda [50, 62]. Autorzy wykorzystali numeryczne rozwiązanie równania Reynoldsa przedstawiając je w postaci bezwymiarowych charakterystyk. Otrzymane wyniki opierają się na założeniu stałej lepkości oleju w szczelinie smarowej oraz urywania się nośnego filmu olejowego w okolicy miejsca, gdzie szczelina zaczyna rozszerzać się. Ponadto przyjęto, że całe ciepło tarcia powoduje podgrzanie smaru i że przy każdym obrocie czopa następuje całkowita wymiana smaru w łożysku. Wyniki obliczeń zestawiono w tabelach [50, 62] w postaci związków wielkości bezwymiarowych współczynników charakteryzujących łożysko w funkcji liczby Sommerfelda, określonej wzorem (5) S = η n 2 p ψ sr (5) gdzie: η - lepkość dynamiczna oleju [N s/m 2 ], n prędkość obrotowa czopa [obr/s], p sr średnie naciski obliczeniowe [N/m 2 ], ψ - luz względny Zależności wielkości bezwymiarowych w funkcji liczby Sommerfelda wyznaczono dla różnych katów opasania łożyska (360º, 180º, 120º, 60º) oraz dla różnych stosunków długości i średnicy łożyska (1/4, 1/2, 1, ). 13
W łożyskach poprzecznych pełnych (o kącie opasania 360º) trudno jest zrealizować warunek całkowitej wymiany smaru podczas każdego obrotu czopa. Connors [10, 50] wykorzystując algorytm obliczeniowy Raimondiego i Boyda określił wymaganą ilość oleju dla łożysk pełnych o stosunku średnicy do długości czopa równej 1, uwzględniając występującą w praktyce recyrkulację smaru. Wyróżnić można trzy możliwe warunki zasilania smarem poprzecznego łożyska ślizgowego (Rys. 7): smarowanie normalne, skąpe i nadmierne. Rys. 7. Łożyska poprzeczne pełne w różnych warunkach zasilania smarem: a) warunki normalne, b) skąpe zasilanie, c) nadmierne zasilanie [50] Smarowanie normalne (Rys. 7a) występuje w przypadku, gdy ilość oleju dostarczana do łożyska odpowiada dokładnie ubytkom oleju spowodowanym wypływom bocznym. W praktyce trudno zrealizować ten warunek i ilość dostarczanego smaru jest mniejsza lub większa. Jeżeli zasilanie smarem jest mniejsze, to łożysko nazywamy skąpo smarowanym (Rys. 7b). Skąpe smarowanie powoduje zmniejszenie grubości i zasięgu filmu olejowego i podniesienie jego temperatury. Jeżeli zasilanie jest intensywniejsze niż normalne (na przykład na skutek zwiększenia ciśnienia zasilania), to łożysko nazywamy nadmiernie zasilanym (Rys. 7c). Nadmiar smaru zwiększa przepływ osiowy w nieobciążonej części panwi powodując intensywniejsze chłodzenie łożyska. Connors uwzględniając powyższe założenia wyznaczył w formie wykresów zależności zmiennej bezwymiarowej charakteryzującej natężenie przepływu smaru 14
dostarczanego do łożyska (6) w funkcji liczby Sommerfelda (5) wyróżniając przyjęte trzy obszary działania łożyska. Q i r nl δ (6) gdzie: Q i natężenie smaru zasilającego łożysko, r promień czopa, δ - luz promieniowy, n prędkość obrotowa, l długość łożyska Wpływ różnych warunków zasilania olejem na minimalną grubość warstwy smaru, straty mocy oraz przyrost temperatury przykładowej konfiguracji łożyska poprzecznego przedstawiają wykresy na Rys. 8 [10, 50]. Rys. 8. Wpływ warunków zasilania na minimalną grubość warstwy smaru, straty mocy oraz przyrost temperatury poprzecznego łożyska ślizgowego o kącie opasania 360º [10] 15
Z przedstawionych charakterystyk wynika, że wzrost ilości oleju doprowadzanego do węzła łożyskowego powoduje zwiększenie minimalnej grubości filmu olejowego, wzrost strat mocy oraz obniżenie przyrostu temperatury łożyska. Zmiany wartości tych parametrów są wyraźnie większe w obszarze pracy łożyska odpowiadającej skąpemu smarowaniu. Gdy ilość dostarczanego oleju przekracza wartość wymaganą dla smarowania normalnego, zmiany analizowanych parametrów są już niewielkie. Zależności przedstawione prze Connorsa świadczą to o tym, że dla prawidłowej pracy łożyska najistotniejsze znaczenie ma zapewnienie takiej ilości dostarczanego oleju, aby osiągnięty został poziom smarowania normalnego. Natomiast dalsze zwiększanie ilości doprowadzanego środka smarnego może już tylko w pewnym nieznacznym stopniu poprawić warunki pracy węzła łożyskowego. Opisane sposoby określania wymaganej ilości oleju potrzebnego do smarowania poprzecznych łożysk ślizgowych nie dają jednoznacznej odpowiedzi, jaką ilość środka smarnego należy dostarczać w konkretnych warunkach dla zapewnienia poprawnego działania łożyska. Okazuje się, że wymagana ilość smaru uzależniona jest w znacznym stopniu od parametrów geometrycznych węzła tarcia (luzu łożyskowego, kąta opasania, stosunku średnicy do długości czopa), które determinują określone warunki zasilania łożyska. Wydaje się zasadne, iż w celu dokładnego określenia wymaganej ilości smaru, dla każdej konfiguracji węzła łożyskowego należy indywidualnie analizować uwarunkowania geometryczne oraz następnie dodatkowe czynniki zależne od warunków pracy i wymagań eksploatacyjnych. Jednym z dodatkowych czynników które mają istotny wpływ na realizacje prawidłowego smarowania jest sposób dostarczania środka smarowego. Jeżeli uwzględnimy różne warunki zasilania zaproponowane przez Connorsa [10, 50] to poza zasilaniem normalnym prawie nie występującym w praktyce możliwe są dwa pozostałe warunki: zasilanie skąpe lub nadmierne. Z zasilaniem skąpym mamy do czynienia głównie w łożyskach z prostymi układami zasilania bezciśnieniowego, między innymi w łożyskach z własnym zasilaniem. Natomiast zasilanie nadmierne dotyczy łożysk zasilanych ciśnieniowo, czyli głównie z zewnętrznych instalacji hydraulicznych. Powyższego zaszeregowania nie należy traktować jako ścisłej reguły, ale jako wynik istniejących możliwości obu stosowanych systemów zasilania. Brak prostego i jednoznacznego sposobu określania wymaganej ilości oleju do smarowania poprzecznych łożysk prowadzą do przekonania, że najkorzystniejszym postępowaniem jest zapewnianie (w miarę możliwości stosowanego układu zasilania) 16
dostarczania oleju z dużym nadmiarem, co daje pewność odpowiedniego smarowania. W przypadku stosowania zasilania pod ciśnieniem z zewnętrznego układu znaczne przeszacowanie ilości dostarczanego oleju skutkuje niepotrzebnymi stratami energii i podniesieniem kosztów eksploatacji maszyny. Z kolei przy wykorzystaniu łożysk z własnym zasilaniem takie postępowanie jest trudne do realizacji w wyniku zwykle ograniczonej ich wydajności. Jednak w tym przypadku ze względu na zblokowanie układu zasilania i łożyska w jednej obudowie nadmierna ilości oleju dostarczana do łożyska poza pewnością odpowiedniego smarowania nie spowodowałaby znaczącego wzrostu strat energii, a przyczyniłaby się do intensywniejszego odprowadzania ciepła z węzła łożyskowego. Miałoby to istotne znaczenie ze względu na przeważnie ograniczoną zdolność do rozpraszania ciepła przez łożyska z własnym układem zasilającym. 2.2. Opis rozwiązań konstrukcyjnych samozasilania 2.2.1. Łożyska zasilane z wykorzystaniem pierścieni luźnych Powszechnie stosowanym od wielu lat rozwiązaniem własnego zasilania hydrodynamicznych łożysk poprzecznych jest smarowanie pierścieniem luźnym przedstawione schematycznie na Rys. 9. Rys. 9. Schemat smarowania pierścieniem luźnym [39] Zasada działania tego sposobu smarowania polega na przenoszeniu oleju pod wpływem ruchu obrotowego ze zbiornika do górnej części łożyska dzięki siłom 17
przyczepności smaru do powierzchni wirującego pierścienia o średnicy większej od średnicy czopa. Ruch obrotowy pierścienia luźnego możliwy jest dzięki siłom tarcia w miejscu styku na górnej części czopa. Powoduje to, że pierścień obraca się z pewnym poślizgiem w stosunku do czopa łożyska. Pierścień smarujący porusza się w specjalnym kanale górnej części panwi (konieczność istnienia wycięcia w panwi) lub też swobodnie, jeśli łożysko posiada tylko dolną półpanew (łożysko częściowe). W górnej części łożyska olej przenoszony na pierścieniu rozpływa się grawitacyjnie po powierzchni czopa i następnie rozprowadzany jest odpowiednimi rowkami do szczeliny smarowej łożyska. Zasilanie pierścieniem luźnym w klasycznym wykonaniu charakteryzuje się odpowiednim wydatkiem podawanego oleju w zakresie prędkości obrotowych czopa od 60 do 500 [obr/min] [7, 17, 32, 34, 37, 39, 41, 55, 56]. Poniżej 60 [obr/min] pierścienie luźne podają zbyt małą ilość oleju. Z kolei powyżej 500 [obr/min] gwałtownie spada ilość przenoszonego oleju na skutek zbyt małej prędkość pierścienia w stosunku do czopa łożyska w wyniku tworzenia się hydrodynamicznego filmu olejowego i spadku tarcia na styku pierścień czop. Zwiększenie ilości podawanego oleju przez pierścienie luźne przy większych prędkościach obrotowych możliwe jest poprzez rowkowanie wewnętrznej powierzchni pierścienia [7, 17, 34, 39, 55, 56]. Dzięki temu zabiegowi przerywaniu ulega film olejowy na styku pierścień czop powodując zwiększenie tarcia między współpracującymi elementami. Umożliwia to szybsze wirowanie pierścienia i tym samym intensywniejszy transport oleju. Przykłady kształtu wewnętrznej powierzchni pierścienia luźnego przestawia Rys. 10. Rys. 10. Kształty wewnętrznych powierzchni luźnych pierścieni smarujących: a) pierścień gładki, b) d) pierścienie rowkowane [39] Innym sposobem zwiększenia wydajności zasilania pierścieniem luźnym jest stosowanie dwóch pierścieni podających olej do jednego łożyska [47]. Pierścienie w takim przypadku umieszczone są w dwóch symetrycznie rozmieszczonych rowkach 18
wykonanych w górnej panwi łożyska. Powoduje to wydłużenie panwi i zarazem zwiększenie gabarytów całego łożyska. Efektem wymienionych zabiegów konstrukcyjnych jest podniesienie górnej granicy stosowania tego typu zasilania do ok. 1500 [obr/min] [41, 47]. Rysunki 11 i 12 przestawiają typowe przykłady rozwiązań konstrukcyjnych łożysk zasilanych luźnymi pierścieniami smarującymi. Rys. 11. Poprzeczne łożysko smarowane pierścieniem luźnym umieszczonym w środku panwi [39] Rys. 12. Poprzeczne łożysko smarowane pierścieniem luźnym umieszczonym na skraju panwi: 1 pierścień smarujący, 2 uszczelniacz, 3 pierścień odrzucający, 4 kieszeń smarownicza, 5 wskaźnik oleju [73] 19
W rozwiązaniu przedstawionym na Rys. 11 luźny rowkowany pierścień smarujący umieszczony jest w środku łożyska. Z kolei w rozwiązaniu z Rys. 12 gładki pierścień umieszczony jest na skraju panwi. Należy zwrócić uwagę, iż rozwiązanie przedstawione na Rys. 12 można łatwo zmodyfikować, umieszczając symetrycznie po przeciwnej stronie panwi drugi pierścień smarujący, w przypadku zbyt niskiej wydajności zasilania pojedynczego pierścienia. 2.2.2. Łożyska zasilane z wykorzystaniem pierścieni stałych Drugim powszechnie stosowanym rozwiązaniem własnego zasilania hydrodynamicznych łożysk poprzecznych jest smarowanie pierścieniem stałym, przedstawione schematycznie na Rys. 13. Rys. 13. Schemat smarowania pierścieniem stałym [39] Działanie rozwiązania jest podobne do poprzedniego i polega na przenoszeniu oleju pod wpływem ruchu obrotowego ze zbiornika do górnej części łożyska, dzięki siłom przyczepności oleju do powierzchni pierścienia osadzonego na stałe na czopie łożyska i obracającego się razem z nim. Pierścień smarujący może być osadzony w środku panwi łożyskowej (wymaga to dzielenia panwi na dwie części) lub poza panwią (na zewnątrz łożyska). W górnej części łożyska olej zbierany jest z pierścienia za pomocą specjalnego zgarniacza, po czym poprzez odpowiednie rowki i otwory spływa grawitacyjnie do szczeliny smarowej. Ilość podawanego oleju przez pierścienie stałe o klasycznym walcowym kształcie jest zadawalająca w zakresie prędkości obrotowych od 0 do 500 [obr/min] [6, 17, 21, 39]. Po przekroczeniu 500 [obr/min] gwałtownie spada ilość przenoszonego oleju na 20
skutek działania dużej siły odśrodkowej, która odrzuca znaczną część oleju z powierzchni pierścienia na ścianki łożyska. Na Rys. 14 przestawiono przykład konstrukcji łożyska zasilanego stałym walcowym pierścieniem smarującym umieszczonym w środku panwi. Rys. 14. Poprzeczne łożysko smarowane pierścieniem stałym umieszczonym w środku łożyska: 1 pierścień smarujący, 2 - zgarniacz [39] Jednym ze sposobów, który umożliwia zwiększenie ilości podawanego oleju przez stały pierścień smarujący przy większych prędkościach obrotowych jest według Lawrowskiego [39] odpowiednie ukształtowanie ścianek wewnętrznych korpusu łożyska tak aby ograniczyć straty wydajności spowodowane siłą odśrodkowa odrzucającą olej przenoszony na pierścieniu. Przykładem wdrożenia tej myśli jest rozwiązanie zaproponowane przez Simmonsa i Advani [70] przedstawione na Rys. 15. W rozwiązaniu tym stały pierścień walcowy umieszczony na zewnątrz łożyska osłonięto kołnierzem stanowiącym jednoczenie obudowę łożyska. Zabieg ten umożliwił skuteczne smarowanie łożyska poprzeczno - wzdłużnego przy prędkościach obrotowych do 1100 [obr/min]. Kolejny przykład stosowanej konstrukcji smarowania pierścieniem stałym przedstawiono na Rys. 16. W rozwiązaniu tym pierścień w kształcie rynienki, umieszczony na zewnątrz łożyska, przenosi olej na swej wewnętrznej powierzchni, która współpracuje ze specjalnie ukształtowanym zgarniaczem. Dzięki wykorzystaniu do przenoszenia oleju wewnętrznej powierzchni pierścienia, ograniczono spadek wydajności spowodowany odrzucaniem oleju, czego skutkiem jest podniesienie górnej granicy prędkości obrotowej łożyska do ok. 2000 [obr/min] [47, 48]. 21
Rys. 15. Schemat układu smarowania z osłoniętym pierścieniem stałym: 1 pierścień smarujący, 2 zgarniacz, 3 kołnierz osłaniający, 4 zbiornik oleju [70] Rys. 16. Poprzeczne łożysko smarowane pierścieniem stałym umieszczonym na zewnątrz łożyska: 1 pierścień smarujący, 2 - zgarniacz [39] Inną odmianą zasilania pierścieniowego jest dostarczanie oleju do łożyska za pomocą tarczy smarującej przedstawione na Rys. 17. W rozwiązaniu tym tarcza na stałe zanurzona w zbiorniku oleju, znajdującym się w obudowie łożyska, przenosi na swym obwodzie olej a dzięki sile odśrodkowej odrzuca go na ścianki komory łożyskowej. Po jednej ze ścianek olej spływa do specjalnego zbiorniczka w górnej części łożyska a następnie przedostaje się do szczeliny smarowej. Jak widać w rozwiązaniu tym do przenoszenia oleju wykorzystano siłę odśrodkowa, która ogranicza wydajność w klasycznej wersji zasilania z wykorzystaniem walcowego pierścienia smarującego. 22
Rys. 17. Smarowanie łożyska poprzecznego z wykorzystaniem tarczy: 1 tarcza smarująca, 2 zbiorniczek oleju podawanego przez tarcze [39] 2.2.3. Łożyska z własnymi ciśnieniowymi układami zasilającymi Przykładem łożyska z prostym układem podającym olej pod niewielkim ciśnieniem jest rozwiązanie przedstawione na Rys. 18. Łożysko zasilane jest olejem pod ciśnieniem wytwarzanym przez dwie zataczające się tarcze umieszczone po obu stronach panwi. Rys. 18. Smarowanie łożyska poprzecznego za pomocą ciśnienia wytwarzanego przez zataczające się tarcze 1 [39] 23
Zataczanie tarcz uzyskano w wyniku skośnego ich osadzeniu na czopie łożyska. Wskutek tego powstaje pomiędzy nimi a czołami łożysk szczelina o zmiennej wysokości. Dzięki przyczepności oleju do powierzchni tarcz i dzięki tej klinowo zwężającej się szczelinie w najwęższym jej miejscu powstaje ciśnienie hydrodynamiczne. Pod wpływem tego ciśnienia olej wtłaczany jest, poprzez odpowiednie otwory w korpusie łożyska i w panewce, do kieszeni smarowych. Rozwiązanie to nadaje się do zasilania łożysk wolno - i średnioobrotowych [39]. Przy dużych prędkościach obrotowych, podobnie jak w przypadku klasycznego smarowania pierścieniem stałym, znaczna część oleju z tarcz odrzucana jest na zewnątrz, co skutkuje obniżeniem wydajności układu. Sposobem dostarczania oleju do łożyska pracującego przy dużych prędkościach obrotowych jest przedstawione na Rys. 19 zasilanie za pomocą ciśnienia hydrodynamicznego wytwarzanego pomiędzy mimośrodowo współpracującymi powierzchniami walcowymi. Rys. 19. Smarowanie łożyska poprzecznego za pomocą ciśnienia hydrodynamicznego wytwarzanego przez mimośrodowy krążek 1 [39] W układzie tym krążek umieszczony jest mimośrodowo w stosunku do komory łożyskowej tak, że tworzy się u dołu szczelina klinowo zwężająca się. Dzięki temu w wyniku obracania krążka w powstałej szczelinie wytwarza się ciśnienie hydrodynamiczne, które wymusza przepływ oleju poprzez odpowiednie otwory do szczeliny smarowej łożyska. Wadą rozwiązania jest niekorzystne umieszczenie układu zasilającego względem położenia wlotu oleju do szczeliny smarowej łożyska. 24
Wytwarzane przez układ niewielkie ciśnienie hydrodynamiczne ze względu na stosunkowo duże rozmiary szczeliny (dla zachowania odpowiedniego natężenia strumienia oleju) musi pokonać opory przepływu w otworach doprowadzających olej do rowka smarowego umieszczonego na wysokości osi panwi łożyskowej. Powoduje to straty ciśnienia wytwarzanego przez układ zasilania i w związku z tym spadek natężenia przepływu oleju doprowadzanego do szczeliny smarowej łożyska. New i Ruddy [29, 48] proponuje inne rozwiązanie dostarczania oleju pod ciśnieniem pozwalające na skuteczne zasilanie poprzecznych łożysk ślizgowych przy dużych prędkościach obrotowych. Proponowany układ zasilania nazwany pompą wiskotyczną przedstawiony jest schematycznie na Rys. 20. Urządzenie to może być zblokowane z łożyskami poprzecznymi lub skojarzeniami łożysk poprzecznych i wzdłużnych o poziomych osiach wałów. Główny element pompy wiskotycznej to pierścień stały umieszczony względem obudowy stanowiącej wspólną całość z łożyskiem. W obudowie wykonany jest obwodowy rowek tworzący z powierzchnią zewnętrzną pierścienia szczelinę, w której przepływa olej pod wpływem ruch obrotowego pierścienia. Zasada działania urządzenia, jak sama nazwa wskazuje, oparta jest na wykorzystaniu lepkości czynnika smarującego przenoszonego w szczelinie. Odpowiednie ukształtowanie obwodowego rowka pompy umożliwia, dzięki siłą ścinania oleju, uzyskanie stosunkowo dużego natężenia przepływu i ciśnienia oleju na wylocie. Rys. 20. Schemat pompy wiskotycznej: 1 pierścień stały, 2 szczelina robocza [48] 25
Pompa wiskotyczna w odróżnieniu od wcześniej przedstawionych rozwiązań poza uzyskaniem wystarczającej wydajności do zasilania łożyska przy dużych prędkościach obrotowych, umożliwia również jednoczesne zasilanie dodatkowej instalacji filtrowania i chłodzenia oleju smarującego. Stosowanie dodatkowej instalacji wspomagającej prace łożyska wprawdzie komplikuje układ (podobnie jak zewnętrzna ciśnieniowa instalacja zasilająca), jednak umożliwia prawidłowe dzianie łożyska przy dużych prędkościach i obciążeniach nie osiągalnych dla typowych układów pierścieniowych przy zachowaniu samowystarczalności. Ze względu na skomplikowaną budowę układu, która wynika z zastosowania dodatkowych instalacji i osprzętu prezentowane rozwiązanie przeznaczone jest do zasilania łożysk w specjalistyczny urządzeniach, od których przede wszystkim wymagana jest duża niezawodność i niezależność. Simmons, Advani i Knox [1, 70, 71] proponuje inny, przedstawiony schematycznie na Rys. 21, samociśnieniowy układ zasilania dla silnie obciążonych łożysk poprzecznych i wzdłużnych pracujących przy dużych obrotach. Rys. 21. Schemat samociśnieniowego układu zasilania: 1 stały pierścień wewnętrzny, 2 - zgarniacz, 3 obudowa łożyska, 4 zbiorniki odpowietrzające olej, 5 przewód zasilający łożysko, 6 zawór regulujący przepływ oleju do zbiornika odpowietrzającego, 7 filtr, 8 chłodnica wodna, 9 wlot wody, 10 wylot wody [ 71] Działanie układu opiera się na współpracy stałego pierścienia smarującego przenoszącego olej ze zbiornika na wewnętrznej powierzchni (tak jak w rozwiązaniu przedstawionym na Rys. 16) i odpowiednio ukształtowanego elementu zgarniającego. 26
Specjalna konstrukcja zgarniacza i jego odpowiednie położenie względem powierzchni wewnętrznej pierścienia umożliwia uzyskanie intensywnego strumienia oleju, który pod ciśnieniem zasila łożysko. Podobnie jak w przypadku pompy wiskotycznej, strumień podawanego oleju przepływa przez dodatkową instalacje w której skład wchodzi filtr i wodna chłodnica oleju. Część oleju z instalacji chłodząco-filtrującej kierowana jest dodatkowym przewodem do górnego zbiornika, który służy do samoczynnego odpowietrzania czynnika smarującego. Układ ten umożliwia wystarczające zasilanie silnie obciążonego łożyska poprzeczno-wzdłużnego przy prędkościach nawet do 7400 [obr/min]. Tak jak w przypadku układów zasilania zawierających pompę wiskotyczną, skomplikowanie przedstawionego rozwiązania ogranicza jego zastosowanie do specjalistycznych i odpowiedzialnych łożysk. 2.3. Właściwości i ograniczenia smarowania pierścieniowego Powszechnie stosowane rozwiązania własnych układów zasilania poprzecznych łożysk ślizgowych charakteryzują ograniczenia, które powodują wyraźne zawężenie obszaru ich wykorzystania. Wykres na Rys. 22 przedstawia ograniczenia obciążalności łożysk hydrodynamicznych z zasilaniem pierścieniowym [31]. Rys. 22. Ograniczenia obciążalności łożysk hydrodynamicznych z własnym zasilaniem za pomocą pierścieni: 1 grubość warstwy smarującej, 2 wpływ prędkości ścinania na lepkość, 3 ilość doprowadzanego oleju, 4 odprowadzanie ciepła [31] 27
Główne ograniczenie (1) dotyczy całej grupy hydrodynamicznych łożysk ślizgowych o tarciu płynnym i wynika z konieczności wytworzenia nośnej warstewki oleju, oddzielającej czop od panwi, o grubości większej od sumy nierówności powierzchni czopa i panwi oraz strzałki ugięcia czopa w panwi. Pod wpływem wzrostu prędkości obrotowej zwiększa się moc tarcia (2), co powoduje spadek lepkości oleju i zmniejszenie grubości filmu olejowego (stąd zakrzywienie charakterystyki). Drugie ograniczenie (3) związane jest z trudnościami w dostarczaniu odpowiedniej ilości oleju przy większych prędkościach obrotowych dla powszechnie stosowanych rozwiązań pierścieni smarujących. Trzecie ograniczenie łożysk pierścieniowych (4) wynika z mniejszej zdolności do odprowadzania ciepła, które spowodowane jest niewystarczającym przepływem oleju oraz ograniczoną jego ilością w układzie zasilania. Wszystkie krzywe na wykresie obrazują ograniczenia obciążalności wyznaczając obszar bezpiecznej pracy łożyska z zasilaniem pierścieniowym. Powyżej wyznaczonej granicy zaczynają występować zjawiska uniemożliwiające właściwy przebieg smarowania hydrodynamicznego. Pomijając specyfikę stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, skuteczność zasilania pierścieniowego związana z zapewnieniem dostarczania wystarczającej ilości oleju do smarowania łożyska poprzecznego zależy od prędkości obrotowej czopa łożyska i lepkości oleju smarującego. Rysunek 23 przedstawia według Neale [47, 50] zależność granicznej prędkości obrotowej w funkcji średnicy czopa dla wybranych rozwiązań łożysk smarowanych pierścieniowo. Z przebiegu charakterystyk wynika, że łożyska smarowane pierścieniem stałym przenoszącym olej na wewnętrznej powierzchni osiągają nieco większe prędkości graniczne niż łożyska smarowane dwoma pierścieniami luźnym. Przykład ten świadczy o tym, jak duży wpływ ma specyfika konstrukcji danego rozwiązania na możliwą do osiągnięcia wydajność układu zasilania. Wprowadzenie dodatkowego układu chłodzenia oleju w przypadku łożysk smarowanych pierścieniem stałym wpływa również na zwiększenie możliwej do uzyskania prędkości granicznej. Główne ograniczenie łożysk zasilanych pierścieniami w klasycznym wykonaniu wynika z gwałtownego spadku wydajności wraz ze wzrostem prędkości obrotowej czopa. Rysunek 24 przedstawia zależność ilości podawanego oleju o różnej lepkości w funkcji prędkości obrotowej dla smarowania pierścieniem luźnym gładkim oraz rowkowanym [17]. 28
Rys. 23. Prędkość graniczna w zależności od średnicy czopa dla łożysk smarowanych pierścieniowo [50] Rys. 24. Ilość podawanego oleju w funkcji prędkości obrotowej dla smarowania pierścieniem luźnym: 1 pierścień gładki, olej średni, 2 pierścień gładki, olej lekki, 3 pierścień rowkowany, olej średni, 4 pierścień rowkowany, olej lekki [17] 29
Przy małych prędkościach obrotowych pierścień obraca się wraz z czopem uzyskując taką samą prędkość obwodową. Przy wzroście prędkości między powierzchnią czopa a pierścieniem zaczyna się tworzyć warstwa oleju, początkowo stwarzając warunki dla tarcia mieszanego, aby przy większych prędkościach przejść w tarcie płynne, stąd wyraźny spadek wydajności. Prędkość przy której występuje wyraźny spadek ilości podawanego oleju na każdy obrót czopa wynosi około 250 [obr/min]. Rowkowanie wewnętrznej powierzchni pierścienia ogranicza jego poślizg poprawiając wydajność rozwiązania. Wpływ wymiarów pierścienia luźnego na ilości podawanego oleju przedstawiono na Rys. 25 [17, 34, 37]. Rys. 25. Wpływ wymiarów luźnego pierścienia smarującego na wydajność podawanego oleju [34] Lemon i Booser [9, 41], opierając się na własnych badaniach doświadczalnych, określili zależności na wydajności podawanego oleju przez luźny pierścień smarujący dla różnych prędkości obrotowych i odpowiadających im stanów współpracy pierścienia i czopa. Wyniki badań przestawione w Tab. 1 umożliwiają wyznaczenie natężenia przepływu dla każdego przedziału prędkości, jeżeli znane są wymiary pierścienia i czopa oraz lepkość oleju. Na Rys. 26 przedstawiono zależność ilości podawanego oleju o różnej lepkości w funkcji prędkości obrotowej dla zasilania klasycznym walcowym pierścieniem stałym [39]. 30
Tab. 1. Charakterystyka stanów pracy pierścienia luźnego i odpowiadające im zależności na ilość podawanego oleju [9] Zakres prędkości Ruch bez poślizgu Początek poślizgu Napęd przy istnieniu tarcia mieszanego między wałem i pierścieniem Prędkość przejściowa Prędkość pierścienia U R [m/s] US U = R U W = 3,8 D 10 n niestabilna 1,5 5D Ut = γ 10 0,67 3 5 Podawanie oleju q [m 3 /s] ( ) 0,65 1,5 6 γ 4, 26 p U R 10 - - ( ) 0,65 1,5 6 γ q = 4, 26 p U 10 t t Początek tarcia płynnego u0 = 2,9u s - Napęd przy pełnym tarciu płynnym między wałem i pierścieniem γ U = 0,05 D 0,2 ( du) 0,8 q t 0,5 U ut = Ut u d średnica czopa [m]; p szerokość pierścienia [m]; q natężenie przepływu oleju [m 3 /s]; q t natężenie przepływu oleju przy prędkości przejściowej [m 3 /s]; U prędkość obwodowa czopa [m/s]; u 0, U 0 minimalna prędkość obwodowa czopa i pierścienia gwarantująca uzyskanie tarcia płynnego między czopem a pierścieniem [m/s]; ut, Ut prędkość przejściowa czopa i pierścienia [m/s]; D średnica wewnętrzna pierścienia olejowego [m]; W masa pierścienia olejowego [kg]; γ lepkość kinematyczna [m 3 /s]; η lepkość dynamiczna [Pa s]. Rys. 26. Ilość podawanego oleju w funkcji prędkości obrotowej dla smarowania pierścieniem stałym: 1 3 olej o lepkości kinematycznej 50 [mm 2 /s], 4 6 olej o lepkości kinematycznej 400 [mm 2 /s], 7 9 olej o lepkości kinematycznej 800 [mm 2 /s], szerokość pierścieni 1, 4, 7 7 [mm], szerokość pierścieni 2, 5, 8 10 [mm], szerokość pierścieni 3, 6, 9 14 [mm] [39] 31
Również w przypadku pierścienia stałego po przekroczeniu prędkości obrotowej, która wynosi około 500 [obr/min], wyraźnie maleje ilość podawanego oleju. Związane jest to z odrzucaniem znacznej części oleju z powierzchni pierścienia na ścianki wewnętrzne korpusu łożyska pod wpływem siły odśrodkowej, której wartość rośnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej. Jak widać z charakterystyki również znaczny wpływ na uzyskiwaną wydajność tego typu sposobu smarowania ma lepkość oleju i szerokość pierścienia smarującego. Gardner [6, 21] prowadził badania nad ilością oleju zbieranego z stałego pierścienia smarującego o średnicy 560 i 940 [mm] przy małych prędkościach obrotowych w zakresie 0 200 [obr/min]. Wyniki badań w postaci zależności ilości podawanego oleju w funkcji prędkości obrotowej przedstawia Rys. 27. Z przebiegu charakterystyk wynika, że w początkowym zakresie obrotów, przy małym oddziaływaniu siły odśrodkowej, wydajność rośnie proporcjonalnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Rys. 27. Zależność wydajności smarowania pierścieniem stałym w funkcji małych prędkości obrotowych [21] Opierając się na swoich badaniach Gardner wyznaczył zależność na natężenie przepływu oleju przy prędkościach obrotowych w zakresie 0 30 [obr/min] opisane parametrem przepływu (7). 32
3 1 3 dm 2 q = kb( DN) 2 η h (7) gdzie: k stała (0,2 10-6 ), b szerokość pierścienia [mm], D średnica pierścienia [mm], N prędkość obrotowa [obr/min], η - lepkość oleju [mpa s] Podsumowując, wydajność powszechnie stosowanych rozwiązań zasilania za pomocą luźnych i stałych pierścieni smarujących w klasycznym wykonaniu jest wystarczająca do smarowania łożysk pracujących przy małych prędkościach obrotowych (0 1000 obr/min). Przy bardzo małych prędkościach (do 100 obr/min) bardziej niezawodne są układy za stałym pierścieniem smarującym. Dzięki odpowiedniej modyfikacji konstrukcji pierścieni (rowkowanie powierzchni wewnętrznej pierścieni luźnych oraz przenoszeniu oleju na wewnętrznej powierzchni pierścieni stałych) możliwe jest zasilanie łożysk przy średnich prędkościach obrotowych (do ok. 2000 obr/min). Istotny wpływ na osiąganą wydajność mają wymiary pierścienia (średnica uzależniona od średnicy czopa łożyska oraz szerokość). Ważnym czynnikiem decydującym o wydajności jest lepkość oleju smarującego. Mniejsza lepkość podawanego oleju wyraźnie obniża osiąganą wydajność stosowanych układów. Jest to o tyle istotne, gdyż ograniczona zdolność odprowadzania ciepła charakteryzująca łożyska z zasilaniem pierścieniowym powoduje z reguły znaczny wzrost temperatury czynnika smarującego, a to z kolei wiąże się ze spadkiem lepkości oleju i tym samym dodatkowo obniża wydajność układu zasilania. Rozwiązaniami eliminującymi to ograniczenie są niekiedy stosowane dodatkowe układy chłodzenia oleju smarującego. Jednak zastosowanie układów chłodzenia powoduje, że z założenia proste systemy samozasilania stają się bardziej skomplikowane, co podważa słuszność ich wykorzystywania w odniesieniu do zewnętrznych ciśnieniowych układów zasilania. Pomimo wielu zalet smarowania pierścieniowego, występujące ograniczenia powodują wyraźne zawężenie obszaru zastosowania tego typu sposobów zasilania hydrodynamicznych łożysk ślizgowych. Najbardziej znaczące ograniczenie wiąże się z małą wydajnością stosowanych rozwiązań w zakresie większych prędkości obrotowych. Zwiększenie skuteczności działania stosowanych rozwiązań w zakresie większych prędkości obrotowych bez zbytniej komplikacji ich konstrukcji umożliwiłoby rozszerzenie obszaru zastosowania tego typu układów zasilania. 33
3. Wnioski z analizy aktualnego stanu wiedzy sformułowanie problematyki badawczej Hydrodynamiczne łożyska ślizgowe poprzeczne z własnym zasilaniem stosowane są od dawna z powodzeniem w wielu urządzeniach. Umożliwiają one w pewnym ograniczonym zakresie prędkości obrotowych dostarczanie odpowiedniej ilości oleju do wypełnienia szczeliny smarowej łożyska i tym samym uzyskania tarcia płynnego. Najbardziej rozpowszechnionymi sposobami samozasilania są układy z luźnymi lub stałymi pierścieniami smarującymi. Rozwiązania tę charakteryzują następujące zalety: prostota konstrukcji, niezawodność działania, uniezależnienie funkcjonowania łożyska od zewnętrznych źródeł energii (w odróżnieniu od zewnętrznych układów smarowania zasilanych z sieci energetycznej), brak lub ograniczona obsługa, niski koszt wykonania. Do wad stosowanych układów zasilania pierścieniowego zaliczamy: zapewnienie odpowiedniego zasilania łożysk olejem jedynie w zakresie małych (klasyczne rozwiązania) oraz średnich (układy specjalne) prędkości obrotowych, utrudnione, ze względu na zblokowaną budowę i stosunkowo małą objętości czynnika smarującego, odprowadzanie ciepła wytwarzanego w węźle łożyskowym, większe gabaryty łożysk. Spośród wymienionych wad najistotniejsza, która w zasadniczy sposób ogranicza możliwość wykorzystania zasilania pierścieniowego, dotyczy zbyt małej wydajności stosowanych układów przy większych prędkościach obrotowych łożysk. W połączeniu z niewystarczającą zdolnością stosowanych rozwiązań do odprowadzania ciepła, ograniczona zostaje obciążalności łożysk zasilanych tymi układami. Wprawdzie istnieją specjalne rozwiązania (przedstawione w podpunkcie 2.2.3) spełniające wymagania odnośnie do dostarczania wymaganej ilości czynnika smarującego w zakresie dużych prędkości obrotowych oraz utrzymywania wymaganej temperatury łożyska, jednak są to układy rozbudowane, których stopień komplikacji konstrukcji jest porównywalny lub nawet przewyższa konkurencyjne systemy zasilania pod ciśnieniem z zewnętrznych 34
układów. Powszechne wykorzystanie tego typu rozwiązań jest więc nieuzasadnione ekonomicznie. Sposobem, który potencjalnie może umożliwić przesuniecie górnej granicy stosowania smarowania pierścieniowego na większe prędkości czopa, jest zwiększenie ilości czynnika smarującego dostarczanego do węzła tarcia łożyska. Cel ten można osiągnąć na drodze poprawy wydajności smarowania w stosunku do uzyskiwanej w dotychczasowych rozwiązaniach, przy zachowaniu prostej konstrukcji układu zasilania i związanych z tym zalet. Przykładem rozwiązania, które spełnia zaproponowane postulaty jest łożysko wolnostojące opracowane w Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Gdańskiej przedstawione na Rys. 28 [54]. Rys. 28. Łożysko poprzeczne wolnostojące zasilane olejem za pośrednictwem pierścienia stałego i zgarniacza o specjalnej konstrukcji: 1 panewka, 2 korpus, 3 pokrywa, 4 czop łożyska, 5 pierścień stały, 6 element podatny, 7 oprawa panewki, 8 pierścień zaciskowy, 9 zgarniacz, 10 otwór wylotowy pierścienia, 11 komora spływowa, 12 otwór zasilający [54] Łożysko to charakteryzuje się nowatorską konstrukcją pierścienia smarującego i zgarniacza wykorzystującą efekt hydrodynamiczny do wspomagania zasilania. W rozwiązaniu tym pierścień smarujący transportuje olej na swej wewnętrznej wklęsłej powierzchni w ten sposób, że przy większych prędkościach obrotowych siła odśrodkowa przenosi go w górne położenie i przez otwory wypycha na zewnątrz 35
pierścienia, zaś odpowiednio ukształtowany zgarniacz, stanowiący jednocześnie osłonę pierścienia, kieruje do komory połączonej ze szczeliną smarową łożyska. Przedstawione rozwiązanie stanowi podwaliny pod idee rozszerzenia zakresu wykorzystania zasilania pierścieniowego. Dzięki odpowiedniej konstrukcji pierścienia i zgarniacza uzyskano możliwość intensywniejszego smarowania łożyska bez konieczności rozbudowywania układu zasilania o dodatkowe elementy. 3.1. Koncepcja zasilania olejem z wykorzystaniem prowadnicy hydrodynamicznej W celu potencjalnej eliminacji głównego ograniczenia łożysk poprzecznych z własnym zasilaniem, dotyczącego trudność w dostarczaniu odpowiedniej ilości czynnika smarującego przy dużych prędkościach obrotowych, opracowana została koncepcja dynamicznego wspomagania zasilania pierścieniem stałym z wykorzystaniem unikatowego urządzenia określonego mianem prowadnicy hydrodynamicznej. Proponowane rozwiązanie układu zasilania łożyska poprzecznego przedstawione jest na Rys. 29. Rys. 29. Koncepcja łożyska poprzecznego zasilanego olejem za pośrednictwem pierścienia stałego i prowadnicy hydrodynamicznej: 1 pierścień smarujący, 2 czop łożyska, 3 prowadnica hydrodynamiczna, 4 obudowa łożyska, 5 panewka, 6 kanał spływowy, 7 zbiornik oleju 36